ROS教程
这是小弟的学习笔记,有错求请拍,多指教,谢谢
二 树莓派3+ROS-kinetic+mbed/开环二轮差分模型
二轮差分模型介绍
1.二轮差分模型
二轮差分运动模型是目前最为简单方便的机器人运动底盘设计,依靠两个动力轮的电机输出不同达到直线行走和左右转动的目的,左右电机的转向不同即可完成转动,常见于寻迹小车,扫地机器人,送餐机器人等,底盘较为灵活,编程,机械设计都很简单,但缺点是转弯时不能走出顺滑的弧线
2.H桥电机驱动
H桥通常是由4个三极管做成的直流电机控制电路,电路原理图十分像字母H。4根三极管分为左上,左下,右上,右下,对角的一对三极管控制电机的一个运动方向,一侧导通后电机顺时针转,另一侧导通则逆时针转
rosserial_mbed介绍
通常来说,ROS机器人操作系统是在树莓派,miniPC,或者是笔记本电脑等运行以linux为基础的系统的设备上运行的,这类型的设备通常没有GPIO或PWM输出引脚,或者IO功能很弱,比如树莓派,它有GPIO引脚,但需要用python语言去控制或者引入wiringC++库,引脚数目也很少。所以在设计这个移动底盘的时候选择了mbed单片机和树莓派3的组合,mbed单片机负责底层的电机驱动,传感器数据读取任务,树莓派上则运行ROS系统,负责传感器数据的处理及发送控制指令。这就涉及了一个问题,ROS和mbed如何通信呢?
答案是,使用rosserial_mbed库,这个新的接口是在jade和kinetic这两个15年之后才推出的新版本上发布的,旧版本的indigo是没有的。rosserial_mbed库强大的功能在于,我们可以把单片机当作一个节点来看,在上边编写发布者和订阅者,与ROS通过USB串口来通信,不需要使用单片机Tx/Rx引脚,而且USB驱动也无需更改,直接使用mbed的程序烧录数据线,不需要用USB转TTL线
rosserial_mbed/wiki
还有与arduino的库
rosserial_arduino/wiki
连接mbed与ROS
1.mbed上的发布者和订阅者
1)mbed的发布者代码
#include <mbed.h>//mbed程序必须的头文件
#include <ros.h>
#include <std_msgs/String.h>//所涉及的消息类型的头文件
ros::NodeHandle nh;//实例化ROS,给ROS分配一个句柄
std_msgs::String str_msg;
ros::Publisher chatter("chatter", &str_msg);
char hello[13] = "hello world!";
DigitalOut led = LED1;
int main() {
nh.initNode();
nh.advertise(chatter);
while (1) {
led = !led;
str_msg.data = hello;
chatter.publish( &str_msg );
nh.spinOnce();
wait_ms(1000);
}
}
从这段ROSwiki给出的例程可以看出,在mbed上用到的语法与在电脑编写发布者节点的语法是一致的,整体框架也一样,所以在mbed上写ROS代码的时候,当作是往ROS框架内添加mbed的代码
2)mbed的订阅者代码
#include <mbed.h>
#include <ros.h>
#include <std_msgs/Empty.h>
ros::NodeHandle nh;
DigitalOut myled(LED1);
void messageCb(const std_msgs::Empty& toggle_msg){
myled = !myled; // blink the led
}
ros::Subscriber<std_msgs::Empty> sub("toggle_led", &messageCb);
int main() {
nh.initNode();
nh.subscribe(sub);
while (1) {
nh.spinOnce();
wait_ms(1);
}
}
订阅者的语法规则以及函数格式也和在电脑上编写节点是一致的
2.DC-motor库
1)mbed上有很多函数库,便于快速开发,motordriver函数库是一个直流电机驱动函数库,包括了speed函数,coast函数,stop函数等
2)motor库的功能是使用单片机的PWM输出来控制电机,PWM是一种脉宽调制,高电平的占空比也大,电机速度越快
3)例程解析
// Sweep the motor speed from full-speed reverse (-1.0) to full speed forwards (1.0)
#include "mbed.h"
#include "Motor.h"
Motor m(p23, p6, p5);
//Motor是电机引脚定义函数
//Motor 变量名(pwm输出引脚,IO—fwd,IO—rev,break_val)
//IO—fwd是当电机向一个方向转动时的指示灯,IO—rev则相反
//break_val设定motor能否刹车,1代表可以,0代表不可以
int main() {
for (float s= -1.0; s < 1.0 ; s += 0.01) {
m.speed(s); //speed()函数用来调节PWM的占空比输出,从而调节电机转速
wait(0.02);
}
}
4)coast()函数是保持电机当前状态,stop()则是停下电机
3.mbed烧录程序
1)程序编写完成后,在当前项目的main文件窗口下,点击complie编译程序,如果程序没错通过了编译,会生成一个bin文件,并进行下载
2)插上mbed的数据线,把下载好的bin文件复制到mbed这个文件夹内
3)按mbed上的复位按钮2-3秒,松手后mbed指示灯闪烁三次,则说明程序烧录成功
4.USB串口通信
1)mbed和ROS的信息通过USB port来传输,所以需要先运行起一个serial节点(运行任何节点之前都要运行master节点)
$ rosrun rosserial_python serial_node.py /dev/ttyACM0
这个serial_node节点是ROS-kinetic里已经有的,所以不需要自己编写,/dev/ttyACM0 指的是当前通信串口的地址,一般只有一个USB连接单片机在使用的时候默认分配到ACM0,谨记是ACM,不是USB
2)这个时候如果没有root的可读可写权限,会出现permission denied的越权错误(+tu)
解决办法是,在终端输入指令
$ sudo chmod 777 /dev/ttyACM0
不过这需要每次连接上USB数据线的时候都要获取权限
5.RPC通信
1)RPC通信与rosserial_mbed库所用到的通信是不同的,RPC通信使用起来比rosserial通信复杂,因为这个通信格式使用里RPCVariable,不同与ROS框架内的任何消息类型,所以需要在ROS端写专门写一个bridge来负责传递参数的任务
2)用到的函数库
RPCInterface
3)参考
zumy_ros_bridge
mbed_rpc
6.编写电机控制代码
1)向工程项目中添加Motordriver库
选择需要添加的路径后点击Import确认添加
2)添加ros-kinetic库
步骤同上,库源码地址:
ros_lib_kinetic
3)电机控制代码
#include <mbed.h>
#include <ros.h>
#include <geometry_msgs/Twist.h>
#include <motordriver.h>
ros::NodeHandle nh;
Motor A_fwd(p24, p6, p5, 1); // pwm, fwd, rev, can brake
Motor A_rev(p23, p6, p5 ,1);
Motor B_fwd(p22, p7, p8 ,1);
Motor B_rev(p21, p7, p8 ,1);
void messageCb(const geometry_msgs::Twist& msg) //速度的消息类型是Twist
{
if (msg.angular.z == 0 && msg.linear.x == 0)
{
A_fwd.speed(0);
A_rev.speed(0);
B_fwd.speed(0);
B_rev.speed(0);
wait(0.5);
}
else
{
if (msg.angular.z < 0)
{
float speed = (float)(msg.angular.z/10);//angular数值与speed()实际需要的参数存在比例关系,否则当angular数据在数值很小的时候,也对应一个很大的速度值的话,电机就不能准确调速甚至无法调速,同样的道理使用于linear
A_fwd.speed(speed);
B_rev.speed(speed);
}
else if (msg.angular.z > 0)
{
float speed = (float)(msg.angular.z/10);
A_rev.speed(speed);
B_fwd.speed(speed);
}
else if (msg.linear.x < 0)
{
float speed = (float)(msg.linear.x);
A_fwd.speed(speed);
B_fwd.speed(speed);
}
else if (msg.linear.x > 0)
{
float speed = (float)(msg.linear.x);
A_rev.speed(speed);
B_rev.speed(speed);
}
}
}
ros::Subscriber<geometry_msgs::Twist> sub("cmd_vel", &messageCb);
Timer t;
int main()
{
wait_ms(10);
t.start();
long vel_timer = 0;
nh.initNode();
nh.subscribe(sub);
while (1)
{
if (t.read_ms() > vel_timer)
{
//motorDriver.stop();
vel_timer = t.read_ms() + 500;
}
nh.spinOnce();
wait_ms(100);
}
}
从电机控制代码可以看到,电机的指令是以Twist类型发出,mbed上有一个订阅者,当接收到这类型的消息后,调用回调函数,输出不同的PWM以控制电机运动
但这个Motordriver库可能不一定适用于所有种类的H桥,笔者使用的DRV8833,stop()函数无法让电机停下,所以选择了speed(0)来替代stop()
7.使用rqt_robot_steering控制电机
1)运行serial节点进行通信
$ rosrun rosserial_python serial_node.py /dev/ttyACM0
2)打开robot_steering
$ rosrun rqt_robot_steering rqt_robot_steering
3)使用wasd键控制运动方向,空格键是刹车
8.使用手柄控制底盘运动
使用的手柄类型:PS3
1)下载jstest-gtk,测试,校准手柄$ sudo apt-get jstest-gtk
2)查看手柄的ID $ ls /dev/input/
插入手柄后再查看一次,多出来的则是当前使用的手柄的ID
3)安装ROS的joy接口
$ sudo apt-get install ros-kinetic-joy
4)创建learning_joy软件包,并编写learning_joy.cpp文件
#include <ros/ros.h>
#include <geometry_msgs/Twist.h>
#include <sensor_msgs/Joy.h>
class Teleop
{
public:
Teleop();
private:
void joyCallback(const sensor_msgs::Joy::ConstPtr& joy);
ros::NodeHandle nh_;
int linear_, angular_;
double l_scale_, a_scale_;
ros::Publisher vel_pub_;
ros::Subscriber joy_sub_;
};
Teleop::Teleop():
linear_(1),
angular_(2)
{
nh_.param("axis_linear", linear_, linear_);
nh_.param("axis_angular", angular_, angular_);
nh_.param("scale_angular", a_scale_, a_scale_);
nh_.param("scale_linear", l_scale_, l_scale_);
vel_pub_ = nh_.advertise<geometry_msgs::Twist>("cmd_vel", 1);
joy_sub_ = nh_.subscribe<sensor_msgs::Joy>("joy", 10, &Teleop::joyCallback, this);
}
void Teleop::joyCallback(const sensor_msgs::Joy::ConstPtr& joy)
{
geometry_msgs::Twist twist;
twist.angular.z = a_scale_*joy->axes[angular_];
twist.linear.x = l_scale_*joy->axes[linear_];
vel_pub_.publish(twist);
}
int main(int argc, char** argv)
{
ros::init(argc, argv, "teleop");
Teleop teleop;
ros::spin();
}
5)修改CMakeLists.txt文件
在最后添加
add_executable(learning_joy src/learning_joy.cpp)
target_link_libraries(learning_joy ${catkin_LIBRARIES})
6)编写launch文件
首先在learning_joy软件包目录下创建一个launch文件夹,在launch文件夹内编辑learning_joy.launch文件
$ gedit learning_joy.launch
<launch>
<!-- joy node -->
<node respawn="true" pkg="joy"
type="joy_node" name="learning_joy" >
<param name="dev" type="string" value="/dev/input/js1" />
<param name="deadzone" value="0.12" />
</node>
<!-- Axes -->
<param name="axis_linear" value="1" type="int"/>
<param name="axis_angular" value="0" type="int"/>
<param name="scale_linear" value="1" type="double"/>
<param name="scale_angular" value="5" type="double"/>
<node pkg="learning_joy" type="turtle_teleop_joy" name="teleop"/>
</launch>
7)编译软件包$ catkin_make
8)运行手柄控制节点$ roslaunch learning_joy learning_joy.launch